故宫地下综合管线信息系统设计与实现

徐勇

（故宫博物院，北京 100000）

故宫地下综合管线信息系统设计与实现

徐勇

（故宫博物院，北京 100000）

故宫为明、清两朝皇宫，已有500余年的历史，是世界上现存最大最完整的古代建筑群，也是人类珍贵的文化遗产。故宫院内现有的管网种类较多、分布较密，以地下敷设为主。地下管线在一些主要道路等区域铺设密集，地上管线很多也为隐蔽铺设。院内共有六类19种地下管线，它们分别是给水、污水、雨水、古雨水、热力、电力、电话、广播、电视、计算机、安防、防雷等地下管线。本文以故宫博物院地下综合管线探测项目为依托，为增强故宫博物院地线管线管理能力，基于GIS平台设计并实现了故宫地下综合管线信息系统的建设。

GIS 故宫博物院地下管线 B/S和C/S混合架构

1　前言

故宫博物院占地72万平方米（长961米，宽754米），建筑面积15.5万平方米，是明朝皇帝朱棣始建，于明成祖永乐四年（1406年）开始建设，以南京故宫为蓝本营建，到永乐十八年（1420年）建成。1949年中华人民共和国成立以后，对故宫建筑进行了大规模的修缮，1987年故宫被联合国教科文组织列为“世界文化遗产”，辟为“故宫博物院”。

故宫作为世界上最大规模的古代建筑群，具有一套完整的给排水系统，特别是古雨水沟的建设，保证了整个故宫建筑群落在大雨甚至暴雨中的安全。随着时代的发展变更，如电力、通讯、热力的现代化设施不断进入故宫。故宫博物院内管线系统与小型城市管线系统几乎相差无几，地下管线包括给水、排水（雨水、污水）、电信、电力、热力、其他管道等几大类，他们都是故宫博物院日常运行的“生命线”。随着故宫地线管线建设程度的不断深化，为保障每日数万游客的正常参观，地下管线的密集程度复杂程度不断提升，如何科学有效的管理这些纷繁复杂的地下管线，让不同层级管理人员对各自管辖的地下管线有清晰明确的认识，提高专业管理人员管理水平，使他们更好的发挥各自专业管理技能。同时降低一般管理员的管理专业门槛，通过基于GIS平台地下管网系统建设，使一般管理员可以应对简单的管线管理、事件处置、预警报警灯工作。

2　基于B/S和C/S混合架构的系统设计

针对故宫博物院地下管线管理的需求，本信息系统框架设计采用B/S、C/S相结合的设计思路。其中C/S框架需要以AutoCAD作为支撑平台，在该平台上，地理资源管理信息系统软件结合AutoCAD自身的功能，针对各专业的特点，提供专业化的软件功能，并且通过授权，具有修改、维护、更新、备份系统数据、安全权限管理设置的功能，这种方式适合专业人员使用。B/S框架不需要AutoCAD平台作为支撑，通过浏览器就能实现浏览查询、统计分析、图面量算等功能，适合众多的一般管理人员使用。

CS是客房端服务器模式；BS是浏览器服务器模式。它们最主要的区别是CS架构的应用程序需要在用户的计算机上进行安装。而BS架构的应用程序不需要在用户的计算机上进行安装，只需要有一个浏览器就可以运行BS架构的应用程序。C/S版与B/S版均设计为三层结构。C/S版基于Autodesk AutoCAD支撑环境，B/S版服务器端采用Autodesk的MapGuide作为图形支撑环境。由于采用同一公司产品架构下的支撑环境来开发，使得B/S版本与C/S版本衔接平滑，组成一种B/S和C/S的混合架构。数据库使用Oracle作为支撑，B/S和C/S端的GIS应用程序通过各自服务器上的应用程序读取GIS系统数据库中的数据。B/S、C/S系统采用统一的用户权限管理系统，支持多角色的安全策略，密码经过特殊的加密算法处理。B/ S、C/S混合架构图1所示。

从上图1可以看出，基础数据层的数据库和地图数据是两种框架系统所工公用的，C/S系统可以对底层的数据、地图等信息进行编辑、保存，而B/S系统只能调取浏览数据，不能进行修改和编辑。这样分系统结构将系统使用者主动的分离开，让专业人员集中管理和处理底层的基础数据，而一般管理员或高层非专业管理者，通过B/ S系统快速的访问、浏览和查询系统信息。

3　地下综合管网系统实现

3.1C/S系统实现

C/S架构的系统则是通过AutoCAD客户端访问数据库获得相关信息。AutoCAD图形系统具有自己的数据库系统。DWG文件其实就是一个小型数据库文件，每一个AutoCAD图形文件都对应着一个数据库（Database）对象，这个对象包含了AutoCAD中的所有图形对象和非图形对象，数据库中的每一个对象都有唯一的句柄（Handle）进行标识。Auto CAD数据库系统对象模型图2所示。

Auto CAD 图形文件中存放着许多图形数据和非图形数据。有时需要将这些数据提取出来，以便能在 Auto CAD 之外使用它们。例如在空间数据建库时，常常要将 DWG 格式的矢量数据转换并存入到空间数据库中，这便需要了解从 DWG 中获取数据的方法。下面介绍三种常用的获取 Auto CAD 图形数据的方法：直接读取Auto CAD 数据库；读取DXF文件；使用DWGdirect 开源库。

以 Auto CAD 软件为基础平台，搭建了一个完整的地下管网系统。系统设计遵循软件工程设计思想，系统分为数据层和应用层。在数据层面，依据行业技术规范与数据标准，建立地下管网数据存储结构，将地下管网的图形和属性数据以 DWG 图形进行管理，提供了图幅管理和文件目录管理功能；在应用层面，结合多方面的需求，以实际生产应用为导向，系统提供了包括数据编辑、数据查询、数据统计、辅助分析、数据质量检查等多种功能。系统的总体框架如图3所示。

Auto CAD 为用户提供了一个可扩展的编程框架，允许用户使用 API 进行定制开发。Auto CAD 为开发者提供了多种应用程序接口，其中.NET API 因其开发简单以及开发效率高的优势而被开发者广泛使用。

.NET API是从 AutoCAD2006以后新增的开发工具包，它是把面向C++语言的Object ARX 开发包提供的类和函数封装为托管类（Managed Wrapper Class），开发人员可在.NET 框架下使用任何.NET 支持的编程语言调用这些类进行开发。Auto CAD . NET API 是一种完全面向对象的开发方式，在拥有C++相匹配的强大功能的同时，还具有方便易用的特点，是 Auto CAD较为理想的二次开发方式。目前，.NET API 还没有托管Object ARX 中所有的类，也就是说，.NET API 还不能完全实现Object ARX 中的所有功能，如自定义对象功能。

针对故宫博物院地下管线管理的需求，C/S架构的系统需要安装AutoCAD软件作为支撑平台，在该平台上，地理资源管理信息系统软件结合AutoCAD自身的功能，针对各专业的特点，提供专业化的软件功能，并且通过授权，具有修改、维护、更新、备份系统数据、安全权限管理设置的功能，这种方式适合专业人员使用。

3.2B/S系统实现

B/S架构的系统在Web浏览器上的功能实现必须依赖GIS系统，而 GIS数据库与Oracle数据库通过地图要素的ID进行相互关联。本次使用MapGuide地理信息系统平台，Web端通过MapGuide地图服务的与Oracle数据库关联。对于不需要GIS平台传递的信息可以直接通过Web浏览器访问数据库系统。因此MapGuide地理信息系统平台是B/S系统功能实现的核心保障。

Autodesk MapGuide是Autodesk公司开发的网络图形数据发布产品，具有开放性特点的GIS发布平台.用户不需要有专门的GIS浏览器，能直接从Internet网络浏览器中打开，用户可以方便的对地图进行漫游、放大、缩小、查询等操作。Autodesk MapGuide可以利用其它GIS软件生成的地图数据进行有效的地图发布，并留有多种数据库接口。MapGuide软件由创作器（MapGuide Author），浏览器（MapGuide Viewer），服务器（MapGuide Sever）三个核心软件部件组成。

（1）MapGuide Author（地图创作器）。用于集成GIS和CAD数据以及设计智能地图。Author对图形的制作和管理是通过管理MWF（Map Window Flie）来进行的。Author提供面向对象的编程，用户通过设置对话框中的操作属性就可以完成所有制作并可使地图与数据库相关联，内置SQL查询。（2）MapGuide View（地图阅读器）。驻留在客户端桌面（Web浏览器）上，用于查看智能地图，并可为MapGuide最终用户提供高度交互的地图绘制环境，完成地图显示、放大、缩小、平移、多种选择查询及缓冲区分析、地图打印、图层数据编辑、修改等功能。可生成动态缓冲区，通过明细表、半径、多边形、缓冲区及交叉等方法选择多个对象，可根据地址和地理名称检索地图，还可读、写、修改图上的点线面目标。引人注目的是，它提供针对主流浏览器Microsoft IE，Netscape的开放的API函数，可供用户增强其客户端的操作能力，可以运用这一接口开发更专业的Intranet或Internet地图应用。（3）Autodesk MapGuide sever（地图服务器）。用于将地图及其数据传递到Autodesk MapGuide Author和MapGuide Viewer， MapGuide sever是运行于NT架构的Windows系统上的与web服务器进行交互信息的地图CGI服务器软件.它是32位多线程软件，可并发连接、访问位于站点上的多个地图文件和关系数据库。由于结合了Windows NT，可以实现查看事件日志、错误日志、访问日志等功能。用于向MapGuide Author Viewer的用户提供地图服务，支持对多地图文件和关系数据库的连接。

B/S架构的系统不需要在本机安装应用程序，通过IE等浏览器就能实现系统信息的浏览查询、统计分析、图面量算等功能，适合众多的一般管理人员使用。

3.3系统功能介绍

C/S子系统面向专业管理与专业维护人员，用于对图形和属性数据进行查询、统计、分析和更新。C/S子系统基于AutoCAD平台，可支持的AutoCAD版本为2002～2006版；软件的操作方式和AutoCAD一致。在AutoCAD环境下，使地图的图形对象（也就是具体地物）与数据库记录对应，实现对各种信息的管理功能。这种方式继承AutoCAD本身的固有优势，弥补了AutoCAD在属性数据处理方面的不足。系统的功能如图4所示。

B/S子系统面向一般管理人员和普通用户，主要提供工程图形和数据的查询、浏览功能等，满足信息共享的需求，不支持地图数据修改，其系统功能图如5所示。

B/S系统也是采用Autodesk公司的软件产品MapGuide来实现数据的发布。客户端系统在IE浏览器上实现软件功能，软件使用简单、方便，无需专门培训。

4　结语

随着故宫基础建设工作的逐步深化，地下管网也将越来越复杂，传统的图纸答案资料不足以满足对庞大故宫地下管网信息的管理工作，同时面对故宫发展、更新、管理的需求，建设一套科学合理的地下管线系统势在必行。本文以故宫地线综合管线探测项目为基础，介绍了故宫地下管线系统的设计与实现。详细的介绍了B/S和C/S两套系统的具体设计思路和实现方式。目前该系统已经在故宫博物院内正式上线使用，系统目前还有一部分功能需要进一步研究实现，但针对以前的地下管线管理来说，已经有了突飞猛进的发展。目前随着三维技术的不断发展，如果将二维管线系统逐渐升级为三维可视化系统进行管理，将是日后研究工作的重点方向。

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［6］陆旭龙，肖凯，蒋红梅.基于WebGIS的城市综合管线系统设计与实现［J］.现代测绘，2015（11）.

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